杂环型稳定硅烯插入HF、H_2O和NH_3反应

硅烯为卡宾的硅类似物,在有机光和热化学中作为一类重要的反应活性中间体引起了化学界的广泛兴趣.杂环型硅烯是实验合成的稳定硅烯,因其在有机硅化学中的重要作用,十几年来在实验和理论上均有研究报道.本文基于单重态杂环型硅烯的特殊电子性质和丰富的化学反应性,系统探讨了几种杂环型硅烯的插入反应.使用密度泛函理论(DFT),在B3LYP/6-311++G(d,p)水平上研究了三种氮杂环型不饱和硅烯(1,3,4)和两种氮杂环型饱和硅烯(2,5)分别与H—X(X=F,OH,NH2)键的插入反应,阐明了插入反应的机理并对各反应的结果进行了比较.杂环型硅烯与H—X的插入反应机理类似于简单硅烯,体现了硅烯的亲电亲核的双重反应性.由反应势垒和反应热看,五种硅烯与H—X键的插入反应均为HF最容易,H2O次之,NH3最难.饱和硅烯的反应性比不饱和硅烯的反应活性高,这也间接验证了杂环型饱和硅烯在实验中较难合成.     

硅烯与异硫氰酸反应机理的量子化学研究

采用密度泛函理论B3LYP方法在B3LYP/6-311＋＋G**水平上对反应物、中间体、过渡态进行了全几何参数优化, 通过频率分析和IRC方法确认了中间体和过渡态. 又用QCISD(T)/6-311＋＋G**//B3LYP/6-311＋＋G**方法计算了各个驻点的单点能, 计算结果表明单重态的硅烯与异硫氰酸的反应有抽提硫、插入、抽提亚氨基的路径. 而经由三元环中间体的抽提硫反应SiH2＋HNCS→IM1→TS2→IM3→TS3→IM4→SiH2S＋HNC(P1), 反应能垒最低, 为主反应通道, 硫代硅甲醛和异氰氢酸为主产物. 硅烯直接抽提硫、插入N—H键和经由三元环中间体的亚氨基抽提反应为竞争反应通道, 在室温下可以发生, 应为次反应通道.     

硅炔氢加成生成甲硅烷基硅烯的量子化学研究

利用量子化学从头算和密度泛函理论(DFT), 研究了硅炔和氢气分子加成生成甲硅烷基硅烯的反应机理. 在B3LYP/6-311G**水平上, 全参数优化了反应通道上各驻点(反应物、过渡态和产物)的几何构型, 计算出了它们的振动频率和零点振动能(ZPVE), 并对它们进行了振动分析, 以确定过渡态的真实性. 各物质总能量由QCISD(T)/6-311G**// B3LYP/6-311G**给出, 并对能量进行了零点能校正. 计算表明, 硅炔与氢分子加成反应可生成稳定的甲硅烷基硅烯. 热力学与动力学计算表明, 反应过程是一个放热、熵减少而自发趋势和反应程度较大的反应.     

钠氟类硅烯插入RH键(R=F,OH,NH2,CH3)反应的理论研究

用密度泛函方法研究了钠氟类硅烯插入R_H键(R=F,OH,NH2,CH3)的反应机理.4个反应的机制类似,反应经历了类硅烯的亲电接近、亲核插入和取代三个阶段之后,形成中间络合物,4个反应的势垒分别为0.9,61.7,114.6和190.6kJ/mol(经零点能校正).中间络合物可以解离为取代硅烷和NaF,这是一个无过渡态的过程.反应能分别是-122.6,-96.3,-6.8和50.2kJ/mol.     

环丙基硅烯的理论研究: 环丙基硅烯C3H5SiH的重排反应及其机理

本文用限制的Hartree-Fock解析梯度方法在3-21G和6-31G^*水平上对环丙基硅烯的重排反应及其机理进行了从头算研究。以6-31G^*优化构型作了二级微扰计算, 并计算了各构型的频率。在此基础上得到了重排反应的热焓△H, 自由能△G和平衡常数K, 用Eyring过渡态理论计算了反应的速度常数k(T), 应用Woodward-Hoffmann规则讨论了环丙基硅烯重排反应过程中端基的旋转机理。结果表明, 环丙基硅烯经过113.4kJ/mol的势垒扩环重排为硅杂环丁烯为自发反应; 而其1,2-氢迁移重排反应热垒为190.0kJ/mol, 是非自发反应, 难于进行,不能与扩环重排相竞争。另外, 扩环重排反应可分为多步过程, 每步的端基旋转均可用Woodward-Hoffmann规则说明。     

亚烷基锗烯与环氧乙烷及环硫乙烷抽提氧和硫反应的量子化学研究

用量子化学密度泛函理论(DFT)的B3LYP和从头算MP2方法在6-311G(d, p)水平上对亚烷基锗烯与环氧乙烷的氧转移及环硫乙烷的硫转移的反应机理进行了系统的研究, 计算了势能面上各驻点的构型参数、振动频率和能量; 并用CCSD(T)/6-311G(d)方法进行了单点能校正. 结果表明, 亚烷基锗烯与环氧乙烷和环硫乙烷抽提氧和硫的反应存在顺反两种反应方式, 分别生成锗杂烯酮(P1)、硫代锗杂烯酮(P4)以及锗杂环氧乙酮(P2)、锗杂环硫乙酮(P5), 环状产物P2和P5能继续与环氧乙烷或环硫乙烷反应, 进一步生成更稳定的产物甲醛(P3-1)、一氧化锗(P3-2)及锗烯的二硫化物(P6), 且反式反应是主要的反应通道. 同时还研究了该反应中环氧乙烷C—O键和环硫乙烷C—S键的解离过程, 并与亚烷基卡宾和环氧乙烷及环硫乙烷的抽提反应进行了比较.     

环丙基硅烯的理论研究环丙基硅烯C3H5SiH的重排反应及其机理

本文用限制的Ｈａｒｔｒｅｅ－Ｆｏｃｋ解析梯度方法在３－２１Ｇ和６－３１Ｇ＾＊水平上对环丙基硅烯的重排反应及其机理进行了从头算研究。以６－３１Ｇ＾＊优化构型作了二级微扰计算，并计算了各构型的频率。在此基础上得到了重排反应的热焓ΔＨ，自由能ΔＧ和平衡常数Ｋ，用Ｅｙｒｉｎｇ过渡态理论计算了反应的速度常数ｋ（Ｔ），应用Ｗｏｏｄｗａｒｄ－Ｈｏｆｆｍａｎｎ规则讨论了环丙基硅烯重排反应过程中端基的旋转机理。结果     

硅杂苯与亲二烯体的Diels-Alder反应

采用密度泛函理论(DFT)在B3LYP/6-311G(d,p)水平上研究了硅杂苯与一些亲二烯体的两类可能的Diels-Alder反应的微观机理、势能剖面、取代基效应和溶剂化效应. 计算结果表明, 所研究反应均以协同的方式进行. 亲二烯体分子碳原子上的苯基取代基对两个新键形成的非同步性和反应的活化能垒的影响取决于苯基在产物中的相对位置, 而硅杂苯分子中硅原子上的CCl3取代基有利于杂Diels-Alder反应的进行. 形成一个C—Si键的杂Diels-Alder反应在热力学和动力学上均远比相应的全碳Diels-Alder反应容易进行, 实验观察到的杂Diels-Alder反应中的区域选择性由动力学因素所控制. 硅杂苯与烯烃的反应比与相应炔烃的反应在动力学上容易进行一些, 但在热力学上后者远比前者容易进行. 苯溶剂对所研究反应的势能剖面影响较小.     

亚烷基卡宾及取代亚烷基卡宾与环氧乙烷反应的量子化学研究

用量子化学的密度泛函理论(DFT)在6-311G(d,p)水平上对亚烷基卡宾及取代亚烷基卡宾与环氧乙烷的氧转移反应机理进行了系统的研究. 用IRC对过渡态进行了确认. 并用组态混合模型讨论了反应势垒(ΔE^≠)与XYC＝C:的单-三态能量差ΔE_ST之间的关系, 结果表明, 取代基的电负性是控制反应的主要因素, 取代基的电负性越大, 取代基越多, π电子给予体越多, 单-三态能量差ΔE_ST就越小, 该反应的活化能就越小, 反应越容易发生. 同时还研究了该反应中环氧乙烷中C—O键的解离过程. 发现两个C—O键解离是一个不同步的协同过程.     

苯基及取代苯基四唑异构反应的量子化学研究

与四唑相同，对位取代苯基四唑有两种异构体（见图1）.几十年来，实验工作者对这类化合物在医药和农业等方面的应用研究表现出浓厚兴趣［‘-‘1.最近，我们用从头计算和PM3等方法研究了四唑两种异构体间异构化反应的机理问.为了探明这类反应的取代基效应，本文报导用PM3方法[6]     

吡啶光氯化反应过渡态和反应途径的量子化学研究

用量子化学B3LYP方法在3---21G*水平上优化吡啶光氯化反应加成取代反应机理生成邻、间、对位氯代吡啶不同反应途径的过渡态并对反应热和活化能进行了计算,对邻位反应途径进行了IRC反应路解析,计算结果表明邻位反应途径过渡态的能量最低,为－704.830027a.u.,生成2－氯吡啶所需的活化能最低,为114.60kJ/mol。光氯化反应主要产物为2－氯吡啶,与实验结果一致。IRC反应路径显示在反应过程中C(2)---H(7)键的断裂和C(2)-----Cl(8)键的生成是协同但不是同步的。     

Ab initio方法研究CH~3+OClO反应的可能通道

利用abinitio方法研究了CH~3+OClO反应的三个可能通道,首次应用UMP2(full)/6-31G(d,p)方法得到各反应物、产物、中间物及过渡态的优化构型和谐振频率;然后采用G2MP2理论计算各通道反应焓变和势垒高度。理论计算表明产物通道CH~2O+HOCl是最可能发生的途径,反应放热为443.80kJ·mol^-^1。可能的反应过程为：CH~3和OClO自由基先经无垒过程生成了一个富能中间物,继而通过较低的势垒解离成HOCl+H~2CO。     

N-烯基硝酮分子内环加成反应区域选择性的理论研究I. N-3-丁烯基硝酮分子内环加成反应的区域专一性

n-烯基硝酮的分子内环加成反应可能得到氧桥和碳桥的两种产物, 但N-3-丁烯基硝酮却只有单一的氧桥产物, 已被用来合成一系列新的区域专一性人化合物。弄清此反应机理是很有意义的。本文用过渡状理论和AM1方法进行研究, 结果表明,虽然存在得到两种产物的平行反应, 但由于这两个反应的速率常数之比很大, 基本上只得到单一的氧桥产物。生成氧桥产物的反应活化焓比较小, 活化熵比较大。活化熵对反应速率常数比值的贡献是不可忽略的。     

N-烯基硝酮分子内环加成反应区域选择性的理论研究IV. N-4-己烯基硝酮分子内环加成反应的区域选择性

本文用AM1 MO方法和过渡状态理论研究N-4-己烯基硝酮分子内环加成反应的机理, 计算两个平行反应(a, b)的速率常数的比值, 得到与实验吻合的结果。计算结果还表明, 由于N-5-甲基的电子效应, 使得反应b的活化焓降低, 同时, N-5-甲基引起的构型变化, 使得反应b的活化熵增高(绝对值变小), 这使得K~b/K~a值明显增长, 是区域选择性发生较大改变的原因。     

1, 2-丙二醇酸性条件下反应机理的量子化学研究

用MNDO方法研究了1, 2-丙二醇在酸性条件下反应机理, 寻找到了反应过渡态, 并从理论上确证了它最可行的反应过程和最终产物。     

羟基负离子与一氟甲烷双分子亲核取代反应的量子化学研究

本文用LCAO-MO-SCF ab initio方法, 对OH^-+CH3F→CH3OH+F^-反应进行了过渡态理论及前线轨道理论的量子化学研究, 以4-31G为基组, 计算了反应进程的势能曲线,得到了过渡态的几何构型, 并用MP2方法进行了电子库仑相关效应的校正, 反应活化能的计算值与实验数据较为一致。用前线轨道理论对反应中分子重新组合过程进行了轨道分析, 较全面地解释了该反应的机理。     

环氧乙烷与胺基负离子反应过渡态的量子化学研究

本文用SCF MO ab initio法研究了环氧乙烷与NH~2^-的亲核置换反应.用能量梯度优化方法(辅以可变尺度法)优化出了反应物与产物的平衡几何构型,与实验对应较好.用Powell的对梯度的Euclidean范数σ求极小的方法优化出了过渡几何构型,并从过波态的力常数矩阵求得了相应于反应坐标的频率为821icm^-1,从而对求出的过渡态进行了确证.用STO-3G基组求出该反应的活化能为44.50kJ.mol^-1,由过渡态和产物的几何构型得出NH~2^-基本上沿环氧乙烷的"弯键"方向进攻.将过渡态看成由变形后的反应物分子与进攻试剂形成的"超分子",用Morokuma的能量分解方案对它们之间的相互作用能进行分解,得出了电荷迁移相互作用和静电相互作用在反应中都起重要作用的结论.     

基态氧(3^O2)氧化硅烯的密度泛函计算研究

采用密度泛函[B3LYP(full)/6-311+G^*]方法研究了基态氧(3^O2)氧化硅烯(Si2H4)的机理。计算了三重态初始中间体(IM(T1)到单重态中间体IM2(S0)反应交叉势能面,报道了各反应中间体、产物和过渡态的构型和能量,用频率分析方法对各过渡态进行了验证,进一步用IRC方法对主要的基元反应进行了考察,确定了历经生成1,2-二氧环氧硅烷中间体的氧化过程的主要反应通道。     

氟代乙烷消除反应的量子拓扑研究

有关卤代乙烷消除卤化氢的反应已有一些实验和理论方面的研究^[1～8].本文通过跟踪氟代乙烷消除反应的IRC途径,研究其在IRC途径上体系的拓扑性质,进一步阐明了该反应为一协同的非同步过程.     

二硅烯化合物顺反异构化过渡态动力学参数的计算

本文介绍了过渡态理论对双键取代物顺反异构化过程的处理方法. 计算了1,2-二叔丁基-1,2-二(2,4,6-三甲苯基)二硅烯、1,2-二[二(三甲硅基)]-氨基-1,2-二(2,4,6-三甲苯基)二硅烯和1,2-二甲基-1,2-二苯基二硅烯等化合物的顺反异构化的活化熵变和相应过程的Arrhenius A因子. 前两个化合物的计算结果与West的实验值符合得很好. 后一个化合物, 尚未见到动力学实验结果的报道. 本文指出了这类化合物构型熵贡献的重要性.